SiC功率半导体器件的优势及发展前景(刘)(2015)

1、SiC功率半导体器件的优势及发展前景中国科学院半导体研究所 刘忠立报告内容1. Si功率半导体器件的发展历程及限制2. SiC功率半导体器件的的优势3. SiC功率半导体器件的发展前景1. Si功率半导体器件的发展历程及限制 Si功率半导体器件的发展经历了如下三代: 第一代-Si双极晶体管(BJT )、晶闸管（SCR）及其派生器件。 功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领域中已得到广泛应用。但是,由于这类器件的工作频率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在对栅关断速度要求较低的场合（在KHz范围）。 在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以大功率为应用目标的B

2、JT，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益值一般也只能做到2x104A/cm2),线性区的电流密度达到570A/cm2,具有低到1.9m-cm2比导通电阻,其特性非常优良。4) 平面功率MOSFET 平面功率MOSFET如右图所示。对于SiMOSFET,当击穿电压超过200V时, 导通电阻增加。在高电压时其比导通电阻大于10-2 -cm2,它导致导通电流密度为100A/cm2时导通压降大于1V。尽管改进的结构可以使其工作在600V以上，但是比导通电阻仍然很大，从而限制了它在高频下应用。SiC功率MOSFET可以克服平面功率MOSFET的缺点，而安全工作区又比Si 的IG

3、BT好。 右图示出4H-SiC及Si的平面功率同 MOSFET的比导通电阻的比较。可以看出，对容易实现的电子迁移率inv=10cm2/V.S， 在1000V击穿电压时，4H-SiC器件的比导通电阻为Si器件的几十分之一。而当inv=100cm2/V.S时，4H-SiC器件的比导通电阻比Si器件的小100倍以上。5) 槽栅功率MOSFET 槽栅功率MOSFET增大了器件的沟道密度，同时消除了寄生JFET的串联电阻，因而改善了功率MOSFET的特性。下图示出4H-SiC槽栅功率MOSFET同平面功率MOSFET比导通电阻的比较，可以看出，在1000V击穿电压下，槽栅器件的比导通电阻约改善了10倍。

4、3. SiC功率半导体器件的发展前景 由于SiC功率半导体器件在电力电子应用领域具有节电节能及减小体积方面的巨大优势和应用前景，由此各国大力投入，竞相研究，并且在器件研究及应用方面不断地取得领人振奋的成绩。 在发展工业用的SiC功率半导体器件中，首先推出的是SiC肖特基二极管，2001年Infineon公司推出300V-600V(16A)的产品，接着Cree公司于2002年推出600V-1200V(20A)的产品，它们主要用在开关电源控制及马达控制中，IGBT中的续流二极管也是它们的重要用途。2004年Cree公司销售该系列产品达300万美元,此后销售额逐年上升 在军用方面，美国Cree公司受

5、军方资助，已开发出10kV/50A的SiC PiN整流器件和10kV的SiC MOSFET。下一步他们将要按比例缩小这些器件的尺寸，以得到10kV/110A的器件模块，并将它们用于航母的电气升级管理中去。 在欧洲，德国、法国及西班牙将SiC MOSFET用于太阳能逆变器，获得98.5%的效率,它的普遍推广，将带来极可观的节能和经济效益。三相光伏逆变器B6-Bridge750 DCV7 kW开关频率：16.6 kHz功率半导体器件IGBT 2 (BSM15GD120DN2), IGBT 3 (FS25R12YT3), IGBT 4 (FS25R12W1T4)SiC-MOSFET (CNM 100

6、9)示例1三相光伏逆变器效率20年内IGBT将会和目前的SiC元件具有同样的性能一台利用SiC晶体管7kW光伏逆变器的经济效益 能量增益 (每年)最大再生能源发电补助/KWA效率提高代来的增益(每年)效率提高带来的增益(10年) 佛莱堡 (德国) 140KWh 0.45EUR 63EUR 630EUR 阿尔梅亚 (西班牙) 275KWh 0.44EUR 121EUR 1210EUR 马 赛 (法国) 250KWh 0.55EUR 137EUR 1370EUR单相HERIC-逆变器H4-桥 + HERIC-开关管350DCV5 kW开关频率：16 kHz功率半导体器件IGBT: FGL40N12

7、0ANDSiC Transistors: MOSFET (CNM 1009), JFET (SJEP120R063)SiC Diodes: C2D20120D示例2单相HERIC-Inverter效率当MOSFET高温时，采用MOSFET和JFETs 的效率相等测量结果包括辅助源的损耗效率与温度的关系(HERIC-逆变器)最高效率和温度无关更小的散热装置损耗减半散热装置温度可以更高效率与电压关系(HERIC-逆变器)SiC晶体管最高效率与直流电压关系不大可以用于宽范围的输入电压逆变器最高效率提升图 未来Si的IGBT有望用SiC功率MOSFET代替，而Si的iN整流二极管将会被SiC肖特基二极管取代。另外，由于SiC PN结二极管可以用低寿命的飘移区实现快恢复，在应用时， SiC功率MOSFET的内部体二极管可以取代并联的肖特基二极管，它将有利于